[发明专利]一种压力应力传感器的制备方法及其应用

说明书

本发明涉及利用磁性纳米片制作压力应力传感器技术领域，具体公开了一种兼具仿生结构、高弹性、高灵敏度、快速响应回复的压力应力传感器的制备方法，包括如下工艺：首先将水溶性的Co通过溶液反应制备出氢氧化钴，然后将得到的产物在还原剂水合肼的作用下得到Co纳米片，将Co纳米片放入设计好的模具中，然后加入PDMS混合液凝固后加装电极得到目标传感器；本发明使用的原料来源广泛，价格低廉，其具有独特的仿生结构，器件响应快，兼具高柔弹性、高灵敏度，并且制作工艺简单，并且上述制备方法制备的压力应力传感器可用于人造电子皮肤的压力应力的传感。

技术领域

本发明涉及利用磁性纳米片制作压力应力传感器技术领域，具体涉及一种兼具仿生结构、高弹性、高灵敏度、快速响应回复的压力应力传感器的制备方法，该压力应力传感器用于人造电子皮肤的压力应力的传感，最终使其可广泛应用于医疗器械、人工智能等多个领域。

背景技术

早在20世纪70年代，国际上就已经开始对电子皮肤触觉传感器的研究，但该阶段的进度十分缓慢。80年代，对于电子皮肤传感器的研究增长迅速，出现了压阻式，电容式，光电式等原理的应用。但这个时期的研究成果尚存在柔软度低，精度低，无法检测微小作用力的缺点。90年代电子皮肤在传感器柔性化，弹性化，透明化，可扩展性，轻量化和多功能化等方面取得显著进展，但仍存在着精度,可靠性和稳定性低的问题。2004年东京大学TakaoSomeya 课题组开发了具有柔性的压力传感器阵列，在保证较低成本并可大面积制作的基础上实现了柔性化(参看：Someya T, Sekitani T, Iba S, et al. A large-area,flexible pressure sensor matrix with organic field-effect transistors forartificial skin applications[J]. Proceedings of the National Academy ofSciences of the United States of America, 2004, 101(27):9966.)。并在次年引入了渔网结构使得传感器柔性增加,大大提高了电子皮肤的拉伸率，使其能够覆盖于复杂的三维表面，但不适用于动态的三维表面。该工作明确了主要从材料和结构两方面着手开发用于电子皮肤传感器的方法(参看：Someya T, Kato Y, Sekitani T, et al. Conformable,flexible, large-area networks of pressure and thermal sensors with organictransistor active matrixes[J]. Proceedings of the National Academy ofSciences of the United States of America, 2005, 102(35):12321-5.)2006年，同样来自东京大学的Yoshiyuki Ohmura 团队利用多个包含微型压敏单元的独立模块分散布置于复杂的静态三维表面，通过串行总线连接并可扩展，实现对于压力分布的测量，虽然同样不能用于动态的三维表面，但其在论文中提出的对于电子皮肤的系统的设计要求被海内外诸多研究者采用(参看：Someya T, Kato Y, Sekitani T, et al. Conformable,flexible, large-area networks of pressure and thermal sensors with organictransistor active matrixes[J]. Proceedings of the National Academy ofSciences of the United States of America, 2005, 102(35):12321-5.)。2011年，Zhenan Bao课题组利用碳纳米管喷涂于PDMS薄片形成的矩形导线阵列，制作了透明度良好的电容式传感器阵列，具有良好弹性，透明性，以及可拉伸度。由于拉伸和挤压都会明显影响电容信号，所以只能用于单独测量应变或者拉伸率不变的情况下测量压力(参看：LipomiD J, Vosgueritchian M, Tee B C, et al. Skin-like pressure and strain sensorsbased on transparent elastic films of carbon nanotubes.[J]. NatureNanotechnology, 2011, 6(12):788.)。2012年，东华大学的吕晓洲博士的论文，用于电子皮肤的新型压力传感器的研究中，开发了一种能够实时测量三维界面应力大小的新型平板电容压力传感器，并基于声表面波器件提出了一种能够实时测量微应力大小的新型传感器用于提高测量精度减小测量误差(参看：吕晓洲. 用于电子皮肤的新型压力传感器的研究[D]. 东华大学, 2012.)。2014年韩国蔚山国家科学技术研究所UNIST利用PDMS和碳纳米管形成的互相连锁的小型拱形结构开发了一种高精度的电子皮肤，灵敏度极高，甚至可以感知空气流的方向位置以及强烈程度，但不能在拉伸的状况下测量(参看：Park J, Lee Y,Hong J, et al. Tactile-direction-sensitive and stretchable electronic skinsbased on human-skin-inspired interlocked microstructures.[J]. Acs Nano, 2014,8(12):12020-12029.)同年，哈佛大学的Jennifer A. Lewis 课题组利用3D打印技术，将特殊的导电材料注入弹性材料中制作出拉伸率高达400%的应变传感器(参看：Muth J T,Vogt D M, Truby R L, et al. Embedded 3D printing of strain sensors withinhighly stretchable elastomers.[J]. Advanced Materials, 2014, 26(36):6307-12.)。同年，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所的张珽课题组，利用单壁纳米管作为电极材料在丝绸上固化形成的PDMS薄膜，制作了柔性高灵敏度电容式压力传感器。 其灵敏度达到1.80kPa-1最小压力检测限低至0.6Pa，响应时间小于十毫秒 ，这种传感器能够监测不同重量的小昆虫 ，人在讲话时发出的声带振动，以及正常人和孕妇的脉搏，均得到很好的响应(参看：Wang X, Gu Y, Xiong Z, et al. Silk-molded flexible,ultrasensitive, and highly stable electronic skin for monitoring humanphysiologica signals.[J]. Advanced Materials, 2014, 26(9):1336.)。